一种固相反应合成碳化锆纳米粉的制备方法
【专利摘要】一种固相反应合成碳化锆纳米粉的制备方法，基本原料为Zr粉末和碳黑粉末，并添加一定的Al粉或Zn粉或已制备的ZrC粉末作为辅助剂来控制反应时的温度，基本原料粉末Zr/C的摩尔比为1，用Al-Zr-C混合粉时Al粉的添加量为30wt.％；用Al-Zn-Zr-C混合粉时Al粉的添加量为20wt.％、Zn粉的添加量为10wt.％；用ZrC-Al-Zr-C混合粉时ZrC粉与Al粉的含量均为10wt.％。本发明具有反应迅速、工艺简单、节能高效、产品纯度高、纳米化程度高等特点。
【专利说明】 一种固相反应合成碳化锆纳米粉的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于新的过渡金属碳化物陶瓷粉末材料【技术领域】，具体是一种超细碳化锆纳米粉体材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]众所周知，碳化锆(ZrC)以其极高的熔点和硬度，优异的耐磨耐蚀性，良好的化学稳定性和一定的金属导电、导热性能而被广泛应用于切削刀具、耐磨钻头、电子元器件、原子反应堆中的防护层等领域。作为强化相，ZrC更被用作金属基复合材料中的增强粒子。ZrC具有典型的面心立方结构，具有综合的金属键、离子键和共价键的复合特性。同时ZrC也具有极大的反应形成热，它可以通过高温下的碳热还原反应、镁热还原反应、机械合金化、化学气相沉积、以及溶胶-凝胶等方法来合成或制备。但这些方法要么需要高温高热，且工艺过程复杂，要么会导致产物的污染严重，从而导致所生成的ZrC颗粒的粗大和不纯，进而降低其性能和应用。
[0003]另外，传统的纳米碳化锆的生产制备工艺很容易导致碳化不均匀、纯度低、纳米化程度低、烧结性能较差，严重制约了其作为硬质强化粒子的性能效果，影响了有色金属材料的开发与应用，阻碍了我国粉末冶金工业的发展。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服传统的制备碳化锆粉末技术的缺陷与不足，而提供一种新而简单的碳化锆纳米颗粒的制备方法，采用燃烧合成技术中的化学热爆方法直接制备纳米级碳化锆粉末，有效解决了现有纳米碳化锆粉末材料生产的技术缺陷，从而形成了一种工艺简单、节能高效、产品纯度高、纳米化程度高且分布均匀的碳化锆纳米粉体材料。
[0005]一种固相反应合成碳化锆纳米粉的制备方法，其包括以下步骤:以Zr粉、碳黑为基础原料，Al粉、Zn粉、ZrC粉为添加剂原料，将一定的混合粉末充分混合后压制成圆柱状坯块，在充满Ar气的气氛中进行化学反应合成，采用通有强电流的高频感应线圈来引燃坯块，坯块将在瞬间整体发生热爆反应，最终得到混有部分Al或Zn的纳米级ZrC粉末，该热爆反应产物不受氧等杂质污染，可直接作为纳米ZrC/Al复合材料使用，也可经萃洗后获得单纯的ZrC纳米颗粒，所述的Zr/C原子比为1，用Al-Zr-C混合粉时Al粉的添加量为30wt.% ;用Al-Zn-Zr-C混合粉时Al粉的添加量为20wt.%,Zn粉的添加量为1wt.% ;用ZrC-Al-Zr-C混合粉时ZrC粉与Al粉的含量均为1wt.%。
[0006]所述Al粉，其纯度> 99%，平均粒度?29 μ m。
[0007]所述Zr粉，其纯度为98.5%，平均粒度为38 μ m。
[0008]所述Zn粉，其纯度> 98%，平均粒度?40 μ m。
[0009]所述碳黑粉，其纯度> 98%,无定形,平均粒度?5nm。
[0010]所述ZrC粉，为通过热爆反应自制粉末，其纯度> 97%，平均粒度?20 μ m
[0011]所述坯块为圆柱状压块，直径约20mm，厚度约15mm，相对密度为65±3%。
[0012]所述惰性气体为Ar气。
[0013]所述引燃方式为SIT高频电源通过水冷感应线圈来实现。
[0014]本发明中，添加济Al粉或Zn粉或ZrC粉对制备ZrC纳米粉末起着至关重要的作用。一方面，反应过程中较低温度液相Zn (熔点约693K)或Al (熔点约933K)的较早较易出现，为粉末间的相互扩散提供了更便易的通道，大量Zr、C粉将溶于Zn (或Al)液相中，并迅速而充分扩散与铺展，使得相互接触表面积提高，从而在瞬间诱发剧烈的化学放热反应，生成稳定的ZrC颗粒。另一方面，添加的Zn (或Al，或ZrC)在热爆反应过程中起到了稀释剂的作用，降低了反应的燃烧温度，从而极大地抑制了所生成ZrC的生长与粗化。还有，Zn或Al很容易汽化从而很可能抑制ZrC晶粒的长大，对生成纳米ZrC粉末材料起着重要的促进作用。
[0015]已有的研究表明，利用溶液的液内燃烧技术能制备多种纳米氧化物材料，适当加热一些氧化剂材料更能导致剧烈的溶液内燃烧反应，并伴随剧烈的汽化效应而制备相应的纳米氧化物材料。本发明通过SIT高频电源感应线圈而诱发的混合粉末的剧烈热爆燃烧合成反应也可以看作为一种特殊的内生溶液的液内燃烧过程，反应中Zn (或Al)的较早较易熔解后形成了 Al (或Zn) -Zr-C溶池，既促进了各粉末的迅速扩散、铺展与溶解，更促进了溶液的液内燃烧反应的发生，加之反应后的快速断电水冷，最终合成了纳米ZrC粉末。
[0016]有益效果:
[0017]本发明有效解决了现有纳米碳化锆粉末材料生产的技术缺陷，从而形成了一种工艺简单、节能高效、产品纯度高、纳米化程度高且分布均匀的碳化锆纳米粉体材料。
【具体实施方式】
[0018]为了使本发明的技术手段、创作特征、工作流程、使用方法达成目的与功效易于明白了解，下面结合具实施例，进一步阐述本发明。
[0019]实施实例1:30wt% Al-Zr-C
[0020]将30wt% Al-Zr-C的三元混合粉末经球磨充分混合后压制成Φ20X 15mm、相对密度为65 ± 3 %的圆柱状预制坯块，然后将该坯块放置于充满Ar气的感应炉中的水冷感应线圈内，通过SIT高频感应电源提供能量来引燃坯块的整体反应，在通电加热数秒后坯块发生整体的剧烈放热燃烧反应，整个反应在瞬间迅速完成，产物呈疏松而膨胀的层状结构。XRD测试的鉴定结果表明该热爆合成产物由Al和ZrC组成。FE-SEM的观察结果表明所合成的ZrC颗粒的平均粒度为80?150nm。
[0021]实施实例2:10wt% ZrC-1Owt % Al-Zr-C
[0022]将1wt % ZrC-1Owt % Al-Zr-C的四元混合粉末经球磨充分混合后压制成Φ20Χ15πιπι、相对密度为65±3%的圆柱状预制坯块，其中ZrC粉末为原来经热爆反应自制的、粒度约20 μ m的粉末，将该坯块放置于充满Ar气的感应炉中的水冷感应线圈内，通过SIT高频感应电源提供能量来引燃坯块的整体反应，在通电加热数秒后坯块发生整体的剧烈放热燃烧反应，整个反应在瞬间迅速完成，产物呈疏松而膨胀的层状结构。XRD测试的鉴定结果表明该热爆合成产物由Al和ZrC组成。FE-SEM的观察结果表明所合成的ZrC颗粒的平均粒度为120?300nm。
[0023]实施实例3:10wt% Zn-20wt% Al-Zr-C
[0024]将1wt % Zn-20wt % Al-Zr-C的四元混合粉末经球磨充分混合后压制成Φ20Χ15πιπι、相对密度为65±3%的圆柱状预制坯块，其中ZrC粉末为原来经热爆反应自制的、粒度约20 μ m的粉末，将该坯块放置于充满Ar气的感应炉中的水冷感应线圈内，通过SIT高频感应电源提供能量来引燃坯块的整体反应，在通电加热数秒后坯块发生整体的剧烈放热燃烧反应，整个反应在瞬间迅速完成，产物呈疏松而膨胀的层状结构。XRD测试的鉴定结果表明该热爆合成产物由Al和ZrC组成。由于反应温度较高而使得其中的Zn相被汽化掉，Zn相的汽化更能抑制ZrC的生长，从而生成更细小的晶粒。因此，从FE-SEM的观察结果发现，所合成的ZrC颗粒更细微，其平均粒度为40?70nm。
[0025]以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
【权利要求】
1.一种碳化锆纳米粉的制备方法，其特征是:它以Al粉、Zn粉、ZrC粉、Zr粉和碳黑粉为原料，其中Zr/C粉的摩尔比为1，比例配制:用Al-Zr-C混合粉时Al粉的添加量为30wt.% ;用Al-Zn-Zr-C混合粉时Al粉的添加量为20wt.%、Zn粉的添加量为1wt.% ;用ZrC-Al-Zr-C混合粉时ZrC粉与Al粉的含量均为1wt.%，将混合粉末进行球磨充分混合均匀，并压制成预制坯块，在充满Ar气的感应炉中进行化学合成，通过SIT高频电源来提供强能量，采用强电流的水冷铜管感应线圈引燃整个压制坯块而发生热爆反应，整个坯块的反应几乎同时完成，随后线圈立即断电急冷，得到主要含纳米ZrC的复合颗粒。
2.根据权利要求1所述的一种碳化锆纳米粉的制备方法，其特征是:所述基本原料Zr粉，平均粒度为38 μ m。
3.根据权利要求1所述的一种碳化锆纳米粉的制备方法，其特征是:所述基本原料碳黑粉，平均粒度为5nm。
4.根据权利要求1所述的一种碳化锆纳米粉的制备方法，其特征是:所述添加剂Al粉，平均粒度为29 μ m。
5.根据权利要求1所述的一种碳化锆纳米粉的制备方法，其特征是:所述添加剂Zn粉，平均粒度为40 μ m。
6.根据权利要求1所述的一种碳化锆纳米粉的制备方法，其特征是:所述添加剂ZrC粉为经热爆反应自制粉末，平均粒度为20 μ m。
7.根据权利要求1所述的一种碳化锆纳米粉的制备方法，其特征是:所述压制坯块为圆柱状压块，直径约20mm，厚度约15mm，相对密度为65±3%。
【文档编号】B22F9/16GK104227010SQ201310253904
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年6月14日 优先权日:2013年6月14日
【发明者】宋谋胜, 龙禹, 冉茂武, 张 杰, 田昌海 申请人:铜仁学院